CN104220149B - 微流过滤系统和流过滤方法 - Google Patents
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Abstract
微流过滤系统，包含流体线路(3)和在线路(3)外的适合容纳流体的第一储器(1)。流体线路(3)包含切向流过滤模块(10)，切向流过滤模块(10)能在流体样品经进料入口(18)进入切向流过滤模块(10)时将该流体样品分离成渗余流和渗透流。流体线路(3)进一步包含集成在流体线路(3)中的第二储器(2)、用于引起并驱动流体流的泵(5)、任选地至少一个用于采集和检测关于流体样品的数据的压力传感器(6、7或8)、任选地用于调节流体线路(3)中的流量的压力调节器(9)、和与第二储器(2)、TFF模块(10)、泵(5)、压力传感器(6、7或8)(如果存在)和压力调节器(9)(如果存在)一起形成流体线路(3)的多个导管(22)。在线路(3)外的第一流体储器(1)的体积显著大于第二储器(2)的体积。在流体线路(3)外的第一流体储器(1)经连接导管(31)与线路(3)相连，以使得流体单向流入线路(3)直至第一流体储器(1)排空，从而建立从第一流体储器(1)到线路(3)的连续流体流。
Description
本发明涉及微流过滤系统和流过滤方法，它们用于提高流体样品中所含的组分的浓度和/或含有化合物的流体的交换。所述系统包含具有微切向流过滤模块的线路，该模块具有半透膜，该半透膜能在流体样品经过时将该流体样品分离成含有流体中的所述化合物的渗余流和含有无所述化合物的流体的渗透流。该流体线路进一步包含集成到流体线路中的储器、泵和将这些元件连向所述线路的多个导管。所述系统优选在流体线路内进一步包含至少一个压力传感器和流压力调节器。
为提纯、浓缩或渗滤而使用半透膜过滤流体样品的流体流过滤系统是现有技术状况中公知的。这些系统用于提高例如用于实验室分析的流体中的组分浓度，或在提纯的情况下用于除去微粒或分子污染物。这样的系统也可用于通过渗滤交换含有有用分子或微粒的溶剂。这样的过滤系统的半透膜可以与流道内的流向垂直布置以使该膜覆盖流道的整个直径，这被表征为垂直流过滤或死端过滤，或该膜表面可以与液体样品的流向基本平行布置，这被称作切向流过滤系统(TFF-系统)或交叉流过滤系统。
切向流过滤系统的优点在于，由于基本平行于膜表面的流体样品流向，发生自动清扫和清洁以致借助此类系统通常可实现与相应的垂直流过滤系统相比更高的通量和更高的吞吐量。此外，大量样品连续流经膜表面以致在此类系统中不容易堵塞和结垢。考虑到这些和其它优点，切向流过滤系统常用于工业和/或生物技术工艺。
在流体经过具有半透膜的切向流过滤模块的过程中，小于膜孔径的溶液组分作为渗透流流过该膜，而较大组分留在渗余流中。渗余流在流动线路中再循环并以连续方式再泵过该膜。这样的TFF-系统用于在从该系统中取出渗透流时显著降低样品溶液的体积。因此，当以浓缩模式驱动该系统时，样品溶液变浓。
在另一些用途中，必须进行溶液中的两种或更多种组分(例如缓冲剂)的分离。因此，将通常但不是必须不含要分离的组分的交换缓冲液(渗滤液)添加到该系统中，以使一种组分作为渗透流取出并被另一组分(即被交换缓冲液)交换，以致最后例如一种缓冲剂被另一缓冲剂交换。渗滤模式和浓缩模式可以使用特殊控制策略合并在系统中。
文献WO 96/34679描述了考虑实际运行过程中出现的通量变化和组分通过行为而优化膜基过滤系统的性能的方法。这样的系统能用最低过滤面积在最短时间内从含有两种或更多种组分的样品溶液中最大程度地回收所需组分到渗余液中。因此，可以建立优化的渗滤法。
切向流过滤系统常用于制造可用于生物技术、化学和治疗或诊断用途的物质。在这样的工业规模制造法中，该过滤法常用于提高活性成分的浓度。在切向流过滤系统中，将含有要浓缩的组分(例如蛋白质、粒子、聚集体、离子、细菌、病毒、核酸、糖类等)的溶液置于集成到流体线路中的储器中。该储器与线路其余部分的体积相比具有大体积。在实验室规模的过滤系统中，该储器为大约0.1至5升。在工业规模系统中，该储器的体积更大。
具有集成在线路中的大储器的此类系统的浓度曲线具有指数形式。该浓度曲线显示随工艺时间经过的浓度，并在该过程开始时在相对于总流体体积作为渗透流仅取出少量流体时相当平坦。取出的流体越多且线路和储器中的流体减少得越多，该浓度曲线指数提高得越多。换言之，就起始体积而言该流体系统中的相对较小体积导致浓度曲线的大的提高。浓度曲线的这一行为是有利的，因为溶液中的浓度在宽的工艺时间范围内相对较小。因此，在此期间，该过程中的堵塞或结垢危险降低。
与线路其余部分的体积相比储器的大体积的缺点在于该线路的最低工作体积提高。由于该储器的大的内表面，不可忽略的流体体积留在储器内，即使其几乎排空。这一事实的原因是流体与储器表面之间的粘合力。这导致最大浓缩系数降低，因为整个线路的最低工作体积提高。此外，大储器中的大流体-空气界面可能促成流体中的组分与空气之间的不想要的反应。在实验室规模和工业规模的系统中都出现这一问题。最低工作体积有时被称作最低再循环体积。
工业规模过滤法的开发通常非常耗时和消耗成本并需要深入了解工艺参数。必须认证许多重要的参数，例如膜特性、流路构造、动力影响和其它工艺步骤。
WO 2006/26253A2公开了具有集成到线路中的储器的流体线路。所述线路属于实验室规模系统以获取可用于系统的更大规模开发认证和确认的数据。为了降低最低工作体积或最低再循环体积，使用专用罐容纳溶液。该罐在底部具有入口和出口。这种系统的缺点是流体溶液中所含的组分的不均匀分布。因此，建议该罐包含具有用于混合流体的磁搅拌器的混合区，由此制造更均匀的样品，可从其中获取有用的数据。具有搅拌器的这种专用罐相当昂贵并提高整个系统的复杂性。此外，磁搅拌器在流体组分上诱发剪切应力。
因此，在药物和生物技术工业中，仍然强烈需要甚至在小流体样品体积、优选小于100毫升的流体体积下也能以大的浓缩系数浓缩溶液的组分的切向流过滤装置。本发明的一个目的是提供能提供这样大的浓缩系数的优化TFF-系统，其中储器的流体体积与该系统的最低工作体积相比足够大。此外，应在过滤过程中的长时期内避免TFF模块中的堵塞和结垢。
通过具有根据权利要求1的特征的流体样品微流过滤系统解决该问题。也通过根据权利要求12的流过滤方法解决该目的。
用于提高流体中所含的组分的浓度的本发明的微切向流过滤系统包含流体线路和第一流体储器。第一流体储器是在该线路外的外部储器，但具有与该线路的单向流体连接。第一流体储器是分立元件，例如罐。其也可以由容器、器皿、筒或某种桶形成。第一流体储器经连接导管(其优选是毛细通道或管等)与所述线路连接。优选地，从第一流体储器到该线路仅存在一个流体连接。以下述方式设计并布置该连接导管：它防止流体从该线路流回第一流体储器。因此，一方面，建立流体从第一流体储器到该线路的单向流。另一方面，装在第一流体储器中的流体的浓度在整个过滤过程中是恒定的并保持恒定，而在该过滤过程中线路中的流体浓度发生变化。
显然，本发明的流过滤系统可用于浓缩法，例如提高流体样品中所含的组分的浓度，和/或也可用于提纯用途。对于所有这些用途，本发明的系统和方法表现出它们的特定优点。
在本发明中，术语流体被理解为是液体，优选缓冲液或包含可用于治疗或诊断用途的组分(例如蛋白质)的流体样品。也可以使用体液(例如全血)作为流体。
本发明的流体线路包含切向流过滤模块、集成在流体线路中的第二流体储器、用于引起并驱动经过流体线路的流体流的泵、优选地至少一个压力传感器以及优选地压力调节器。该线路进一步包含将所有元件连在一起的多个导管。
第二储器包括在该线路中，并优选设计为分立流体元件，例如容器、罐等。或者，也可以由该线路的另一结构元件提供第二储器的功能以使这一结构元件实现附加功能。例如，这种元件可以是具有延长段和扩大的内腔的软管，或具有扩大的内径和内腔的管以便可以在该元件或该元件的各个修改部分中存储预定体积。因此，例如管形式的这种结构元件发挥其原始输送功能和储器的附加贮存功能(或存储功能)。
该切向流过滤模块(TFF模块)具有进料入口、渗余液出口、渗透液出口和半透膜，该半透膜能在流体样品经进料入口进入切向流过滤模块时将该流体样品分离成渗余流和渗透流。该TFF模块是膜孔径相当于大约1至1000kD(千道尔顿)的截留分子量的微流过滤模块。在一个任选实施方案中，该TFF模块的膜具有大约2微米至0.05微米、优选最多0.1微米的孔径。这也是近似膜截留范围。该膜还能实施超滤以致膜孔径可以为小于0.1微米至大约的1kD的截留范围。
第二流体储器具有储器入口和储器出口，二者都与线路相连，以使线路中的流体可流经该储器。任选地或此外，该储器可具有通往位于该流体线路外的第一流体储器的入口。线路的泵驱动流经该流体线路(包括切向流过滤模块)以及流经该线路中第二储器的流体样品的流体流。在一个优选实施方案中，至少两个压力传感器用于采集和检测关于流体样品的数据。这些数据通常是用于计算压力差值的压力值，可由该压力差值测定该线路中所含的流体的粘度。任选地，压力调节器用于基于这些测定的结果调节线路中的流体样品的压力。
这些元件(TFF模块、第二储器、泵、任选地压力传感器和/或压力调节器)与多个导管一起形成流体流经过的线路。第一流体储器和包括第二储器的流体线路的布置具有下述优点：在浓缩模式中可以严格限制第一流体储器的流体体积和第二储器的流体体积(包括线路的体积)，并严格限制其中所含的流体。第一流体储器中的流体浓度和该线路中的流体浓度仅在过滤过程开始时相同。在浓缩过程的剩余期间，由于该线路中的浓度随工艺时间改变的事实，第一流体储器中的流体浓度不同于该线路中的流体浓度。第一流体储器中的流体浓度通常是已知的或预定的。
此外，第一流体储器中的流体浓度恒定并且不变，尤其是浓度不提高。在所述线路中，浓度在过程中变化。只要第一流体储器没有完全排空，就准确限定了该线路中的浓度和体积。
必须没有从该线路、尤其是第二储器到第一流体储器的流体流动或扩散。这通过连接导管确保。因此，该连接导管优选具有防止该流体内所含的分子在过滤过程中从第二储器有效扩散到第一流体储器中的长度和/或小于该线路的直径和/或小于第二储器的直径的直径。另外或或者，可以在第一流体储器与该线路之间的连接导管中设立阀或背压阀。也可以控制该线路中的压力以使该线路中的压力小于第一流体储器和/或连接导管中的压力。在一个优选实施方案中，将该连接导管设计为细长管以可靠地防止从该线路进入第一流体储器的流体流。
在一个优选实施方案中，该连接导管具有最多1毫米、优选最多0.75毫米、特别优选最多0.5毫米的直径。这种导管在防止流体回流和/或流体内所含的分子从该线路扩散到第一流体储器中方面是有利的。另外或或者，该连接导管具有至少10毫米、优选至少50毫米、特别优选至少100毫米的长度。该连接导管的长度还优选为至少200毫米、300毫米或更大。
在外部第一储器与该线路之间使用连接导管的优点在于作为分立元件并优选设计为容器的第一流体储器可拆除或可与该线路分离。因此，第一流体储器可以与该线路分离。这在更换储器及其内容物、填充或可能再填充第一流体储器、尤其是在储器清洁方面是有利的。
基于本发明的理念开发出本发明的系统，即如果使用集成在流体线路中的大的内部储器，该线路的最低再循环体积提高。另一方面，在流的过滤系统运行过程中随时间经过浓缩的浓度曲线表现出指数性行为，这由于降低TFF模块的膜的堵塞和结垢效应而有利。为避免该线路的最低再循环体积提高，可以取出该线路的内部储器并换成位于外部的储器。已认识到这不是适当的选择，尽管外部储器对该线路的最低工作体积没有影响。如果储器位于外部，该流过滤模块中的浓度行为是不利的。浓度曲线表现出线性行为，以致从过滤过程一开始就带来模块中的相对较高的浓度提高。因此，该系统表现出较高的堵塞和结垢危险，以降低渗透液流速。此外，流体样品的粘度提高，这要求提高系统压力并使在整个浓缩过程中实现恒定的跨膜压力变复杂。
已认识到用集成在线路中的小的内部储器和未集成在该线路中但与该线路流体连接(以使流体从第一流体储器单向流入该线路)的显著更大的外部储器解决了这一问题。通过连接导管，例如管、软管或流体通道，设计第一流体储器与该线路之间的流体连接。因此，从第一流体储器流入该线路并流经该线路的流体不会往回流或往回流入第一流体储器。因此，在外部第一储器与该线路之间优选仅存在一个单向连接。
从第一流体储器向该线路建立连续流体流直至第一流体储器基本排空。因此，只要第一流体储器中留有流体(其可以排空)，该线路中所含的流体的体积在TFF模块运行过程中保持恒定。
外部第一储器是待加工的流体样品的主储器(在浓缩模式中)。在具有这两个储器的这种组合的系统中，流体的浓度表现出与现有技术状况的过滤系统的这两种版本的行为的组合对应的行为。
本发明的组合系统表现出线性浓度曲线直至外部储器排空，并且只要流体从第一流体储器流入该线路，就为线性。如果外部储器是空的，就会开始浓度的指数性提高。因此，可以使用第二储器延迟浓度曲线的指数阶段。由于第二储器显著小于第一外部储器，其对最低再循环体积或最低工作体积的影响非常小或可忽略不计。另外也可以降低由大的流体-空气界面引起的效应。外部第一储器不影响该线路的再循环体积，因此它可以任意地大，只要符合需要即可。
可以按外部储器与内部储器的比率，例如外部储器的体积与包括内部(第二)储器的线路的体积的比率，测定和调节浓度曲线在线性阶段过程中的斜率。
要认识到，浓度曲线的线性阶段与指数阶段之间的过渡点取决于两个储器的体积。因此，第一流体储器的体积优选是线路(包括第二储器)的体积的至少2倍大。更优选地，第一流体储器的体积是线路体积的至少5倍大，更优选至少10倍大，或特别优选是线路体积的至少15倍大。第一流体储器的体积还优选是线路体积的至少50倍在。在另一些实施方案中，第一流体储器的体积优选是线路体积的至少100倍在，特别优选至少1000倍大。因此，在该系统中可以处理大的流体批量而不用提高该线路的体积，并因此不用提高该系统的最低工作体积。该系统的最低工作体积的提高对用该系统可达到的最大浓缩速率造成限制。
尽管要处理的流体体积不限于上限，但TFF-系统通常用于最多150毫升、优选最多100毫升的流体和液体批量。该系统优选适用于进行最多20毫升、也优选最多10毫升的液体批量的提纯或浓缩。也可以浓缩最多2毫升或1毫升的更小流体体积。因此，该浓缩工艺的起始体积优选为150毫升至1毫升。第一和第二储器具有各自的体积。第一流体储器的体积通常在起始流体体积的范围内。
本发明的系统可用于浓缩流体样品中所含的组分，例如蛋白质或分子等。如果该系统用于这种浓缩模式，第一流体储器和第二储器都含有相同的流体样品。此外任选地可追加外部储器以便可以交换溶液中的一种或多种组分。
在该TFF-系统的一个优选实施方案中，第二储器的体积为最多2毫升，优选最多1毫升。具有这种尺寸的第二储器的系统通常用于实验室。可以处理少量溶液并限制第二储器对最低工作体积或最低再循环体积的影响。在具体实施方案中，第二储器优选为最多0.7毫升，特别优选最多0.5毫升。这一体积的第二储器的优点在于进一步限制对最低工作体积的影响并可以提纯100毫升或更小、优选最多20毫升的流体批量，以致可达到至少10、优选至少40的最大浓缩率。最大浓缩率优选为至少100，特别优选至少1000。
在本发明的一个优选实施方案中，流体线路包含用于采集与流体样品中所含的组分的浓度有关的数据的光学测量装置。这种光学测量装置可以是与合适的光源、单色仪或滤光设备和用于测量经过该样品后剩余的光的检测单元结合的比色皿或类似物。借助集成到流体线路中的此类光学测量装置，可以在该系统的运行过程中连续检测流体样品中所含的组分的实际浓度。因此，容易实现流体样品中所含的组分的浓度或浓度变化的在线测定和监测。
也用具有权利要求12的特征的流过滤方法解决本发明的目的。优选用于提高流体样品中所含的组分的浓度或用于提纯的该方法使用作为微流过滤系统的流体线路的一部分的切向流过滤模块。该系统还包含第一储器，其以下述方式经连接导管与所述线路相连：流体从第一流体储器单向流入该线路。该连接导管防止流体从该线路流回第一流体储器。因此，第一流体储器中的流体的浓度恒定，特别是在整个过滤过程中。
在提供如上所述的微流过滤系统后，向第一流体储器中装入流体样品。然后由于该线路的泵开始工作，样品填充包括第二储器在内的整个线路。优选在该线路的其余部分或整个线路被流体填充之前直接或间接(经由该线路)填充第二储器。如果该线路在填充过程开始时不含任何流体，泵优选生成负压以使流体被吸入该线路和/或吸入第二储器。也可以利用其它已知的力或手段填充该线路。
优选地，该线路还包含在空线路填充过程中让空气或气体逸出的排气口。因此，避免该系统中的气泡以实现无干扰和/或无假象(artefacts)的加工。
在下一步骤中，驱动流体样品经过该线路并经过TFF模块。由此，将一定量的流体作为渗透流从该线路中(连续)取出。该线路中的流体样品中的组分浓度由此不断提高。在提纯的情况下，渗余流中的组分浓度提高，而渗透流是纯化的流体溶液。
在下一步骤中，优选建立从第一流体储器到第二储器的连续流体流直至第一流体储器几乎排空。因此，只要第一流体储器中含有足以建立连续流体流的流体，在过滤模块中排出的流体量被相同量的来自第一流体储器的流体取代。在该系统的运行过程中，来自与该线路相连的第一流体储器的追加流体补偿该渗透流。调节器(例如压力调节器或阀)优选控制该线路内的流体流和/或压力。特别优选通过控制和/或调节该线路的泵来控制流体流。
只要第一流体储器中含有流体，组分的浓度曲线(浓度相对于加工时间)就表现出线性行为。第一流体储器的体积对该线路的最低工作体积没有影响。浓度曲线在线性阶段中的斜率取决于流体线路的体积和经过该过滤模块的流体通量，例如其取决于渗透流的通量。此外，实际浓度也取决于流体样品中所含的组分的起始浓度。
优选地，通过选择第一和第二储器的合适尺寸以及流体线路的体积和渗透液流速将浓度曲线在线性阶段中的斜率调节至低值，以使该浓度在过滤过程开始时仅以小斜率提高。如上所述进行调节。
当第一流体储器排空时，从第一流体储器到该线路的流停止。然后，该过滤系统表现出与具有内部储器的现有技术状况中的已知过滤系统相同的行为。仅有的区别在于，第二储器与整个系统的起始体积相比足够小。在该系统的运行过程中从这一点开始，浓度的时间依赖性进程表现出指数性行为，其中在该运行的这一指数阶段过程中浓缩率指数提高。因此，在该过程结束时浓度大大提高。因此，本发明的系统和本发明的方法都在最长运行期间避免过滤模块的膜的堵塞和结垢。
在该方法的一个优选实施方案中，监测流体样品中的组分的浓度。优选地，系统的运行可以由于预定的终止值(例如浓度提高、最终浓度或最终体积)或在规定时间后而停止。如果浓度提高达到指定的浓缩率或如果达到指定的目标样品浓度，线路中的流体流也可以停止。然后停止该线路的泵。优选地，也可以在该线路中所含的流体样品的量达到该线路的最低工作体积时停止流体流。
最低工作体积或最低再循环体积是指在不会将空气泵入导管或线路的情况下该线路可被驱动的最低体积。因此，最低工作体积是指除压力调节器或阀(如果存在)、所述至少一个压力传感器(如果存在)、泵和切向流过滤模块中可含的流体体积+第二储器的导管中必须存在的流体量和任选地光学测量装置和/或粘度测量装置的体积外，该线路中连接这些元件的所有导管的体积。就第二储器必须含有合适体积的流体以便在流体量降低时不将第二储器中所含的空气泵入连接导管而言，将集成在流体线路中的第二储器的体积计入考虑。第二储器内要包含的这种最低流体体积是确定该线路的总最低工作体积要考虑的第二储器的分体积。
本发明的方法优选能使溶液中的组分的浓度提高到至少2倍，更优选至少10倍，还更优选至少50倍。浓度的最大提高倍数取决于相对于线路最低工作体积的第一流体储器中溶液的起始体积。任选地，浓度提高倍数优选为至少100，特别优选至少1000。具有流体体积为150毫升的第一储器和100微升的最低工作体积的系统表现出1500的浓度最大提高倍数。在这种系统中，该线路中第二储器的体积为大约1毫升至0.5毫升。
在该方法的一个优选实施方案中，浓度曲线在浓缩过程的基本线性阶段中的斜率优选为最多0.5，更优选最多0.2，更优选最多0.1，更优选最多0.05，更优选最多0.02。浓度曲线是指浓度相对于运行时间的关系，其类似于相对于渗透流或过滤模块的通量的浓度。浓度曲线的斜率类似于随时间经过的浓度变化。因此，该浓度曲线在线性阶段中的斜率特别优选为最多0.01，更优选最多0.005，更优选最多0.002，更优选最多0.001，更优选最多0.0005，更优选最多0.0002，特别优选最多0.0001，更特别优选最多0.00001。浓度曲线的斜率单位是毫克/毫升/秒。
优选地，该方法含有以调节该线路中的预定压力或预定流量的方式控制从第一流体储器到该线路的流的步骤。也可以以使该线路中含有预定量的样品流体的方式控制来自第一流体储器的流。
第一流体储器的流体优选直接流入该线路的第二储器，优选经由直通连接导管流入。
在流体从第一流体储器流入该线路的过程中，通过由流体线路与第一流体储器之间的压力差产生的压力控制该流动。任选地，将各自量的流体从第一流体储器吸出到该线路中。优选以使第二储器和/或该线路中所含的流体体积基本恒定(只要第一流体储器被填充)的方式控制来自第一流体储器的流体流。
在本发明的系统和方法的开发过程中认识到，就浓度曲线而言，可以调节该系统从线性行为过渡到指数性行为的区域。因此，优选以调节该线路中的流体体积与第一流体储器中的起始流体体积的比率的方式进行第一流体储器中所含的起始体积的选择和调节。以使浓度曲线的线性行为与浓度曲线的指数性行为之间的过渡区域在预定区域中的方式预定这一比率。优选在运行的结束阶段，优选在溶液体积量降至起始体积的至少50％、优选降至起始体积的至少10％、优选降至起始体积的至少5％、还优选降至起始体积的至少2％时发生从线性行为到指数性行为的过渡。任选地，在发生从线性行为到指数性行为的过渡时，溶液体积量降至起始体积的至少0.5％。
下面基于附图中所示的具体实施方案更详细例示本发明。其中所示的技术特征可以独立或结合使用以产生本发明的优选实施方案。所述实施方案不代表对本发明的任何限制，由权利要求书规定本发明的一般性。
在附图中：
图1a、b各自显示根据现有技术的切向流过滤系统的示意图以及此类系统的理论浓度曲线的示意图；
图2显示本发明的系统的示意图；
图3显示本发明的切向流过滤系统的浓度曲线的示意图；
图4显示根据本发明的先进的微切向流过滤系统，其用于大约10至15毫升起始体积的小流体批量。
在附图描述中，使用提高流体中所含组分的浓度的实例例示本发明。其也可至少用于提纯用途。这种实例不限制本发明的范围。
图1a显示具有线路的过滤系统的主要示意图，仅显示该线路的泵P和过滤模块F和储器R。储器R集成在该线路中。浓度曲线原则上显示浓度与时间的关系。清楚显示，该浓度曲线具有指数性行为。在30分钟时间后，浓度从1mg/ml的起始浓度提高到1.14mg/ml的量。在200分钟后，浓度达到5mg/ml的值。在248分钟时，浓度达到大约125mg/ml的量。因此，一开始的浓度提高相对平坦。由此，降低了膜的堵塞和结垢危险。如上提到，这种线路的缺点是在该线路的最低工作体积中必须考虑储器R的体积，这使最低工作体积提高，并且如果必须避免过滤过程中储器中形成浓度梯度，需要在储器中加入混合器。因此，限制了最大可能的浓缩倍数。
图1b显示具有集成了泵P和过滤模块F的线路的过滤系统。储器R位于该线路外并流体连向该线路。流体从储器R单向流入该线路。在这种构造中，在最低工作体积中不必考虑储器R的体积。因此，最低工作体积非常低。这种系统的缺点在于浓度随时间线性升高。在30分钟时，浓度从1mg/ml的起始浓度提高至19mg/ml的实际浓度。在200分钟时，浓度值为121mg/ml。因此，与运行开始时相比发生相对较大的浓度提高。这导致该系统中在过滤早期已存在高的堵塞和结垢危险。
图2显示本发明的过滤系统的主要示意图。在这种系统中，使用两个储器。一个小储器R2集成在该线路中，其中还集成了泵P和过滤模块F。大储器R1在该线路外并流体连通地与线路相连。在这一实施例中，储器R1具有15毫升的体积，且储器R2具有1毫升的体积。流体线路的最低再循环体积合计为100微升。
图3显示了如图2中所示的本发明的系统中的浓度与时间的关系的理论行为。该浓度曲线表现出线性提高直至232分钟，此后表现出指数提高。据显示，该浓度相对于时间的线性提高的斜率足够低于具有外部储器的现有技术状况的系统中的浓度提高。该浓度提高的线性阶段的斜率取决于相对于渗透液通量的流体线路体积。因此，可以预定该斜率。在这一实例中，在30分钟时，浓度从1mg/ml的起始浓度提高至2.6mg/ml的实际浓度。在232分钟的时间后，开始指数提高，以致在248分钟时浓度具有125mg/ml的值。明显的是，在该过程开始阶段的低提高降低了过滤膜的堵塞和结垢危险。有利的指数性行为的起点可变并在此后开始。因此，浓度在这一过渡点之后极快提高。本发明的过滤系统的另一优点在于由于集成在该线路中的储器R2的小体积，最低工作体积相当低。因此，可达到的最大浓缩率明显更高。
图4显示本发明的流过滤系统100的优选实施方案。该系统包含位于线路3外的第一储器1。线路3包含第二储器2、泵模块5、三个压力传感器6、7、8、压力调节器9和微切向流过滤模块10。
此处所示的系统100是实验室规模系统，其中储器1具有10至15毫升的体积。第一流体储器1的体积优选具有15毫升的体积以致在储器1中容易容纳10毫升体积的流体。第一流体储器1(储器1)是分立元件或组件，例如罐或容器。其布置在线路3外。第一流体储器1经连接导管31与线路3相连。连接导管31是储器1与线路3之间的唯一流体连接。其防止流体从线路3流回储器1。如图4中所示，作为一个实例，储器1经直通导管4(其具有管或优选管道形式)直接与储器2连接。
第二储器2(储器2)具有可位于储器2的上部区域、位于侧壁之一或优选位于储器2的底部的储器入口11，和优选位于储器2的底部或底部附近的储器出口12。储器入口11和储器出口12与线路3的导管14相连。第二储器入口13与直通导管4相连，以使储器1中所含的流体可直接流入储器2。
直通导管4中的阀17能够控制从第一储器1到第二储器2的流体流。利用阀17能够控制从第一流体储器1到线路3的流。可以使用一个或多个压力传感器6、7和8测量流体线路中的预定压力。
安装在储器2底部附近的液位传感器15测量储器2中所含的液体量，以便可控制储器2中的流体位。储器2优选是封闭储器，以使储器2的顶部被盖子密封。
储器2(其可具有罐形式)优选包含能从储器2内部除去气体(例如空气)的排气口16。排气口16在储器1排空时以及储器2由于连续渗透流(经该渗透流从线路3中取出流体)开始排空时的加工阶段允许空气进入储器2。此外，在储器1排空后，如果阀17打开，则气体可以从储器1流向储器2。
微TFF模块10包含进料入口18、渗余液出口19、渗透液出口20和半透膜21，半透膜21能在流体样品经进料入口18进入TFF模块10时将线路3的流体样品分离成渗余流和渗透流。在该系统的运行过程中，流体的连续流被驱动流过该线路和导管14，其中导管14连接线路3的元件并与集成的元件一起形成线路3。导管14优选是软管或硬质管道或是微结构化模块的组成部分。
在TFF模块10中，优选使用膜21，对其而言，分离时间取决于样品体积和经过该膜的通量。在给定实例中，该膜允许0.06ml/min的通量。经渗透液出口20取出渗透流以将取出的流体收集在收集室23中。使用天平24容易测量收集的流体量。
泵模块5包含两个注射器25和阀26。利用电子泵转向装置和可交替工作的两个注射器25能使流体样品连续流经线路3。流体在回路中循环，以使TFF模块10的渗余流再循环至第二储器2并再至TFF模块10。也可以利用阀26控制经过线路3的流。
压力传感器6和7用于测量压力差。它们优选位于泵模块5与TFF模块10之间。传感器位于未显示的毛细管或通道中，其具有与线路3的导管14的横截面积不同的指定横截面积。两个压力传感器6、7的压力值之差用于通过适用Hagen-Poiseuille公式测定流体样品的粘度。
第三压力传感器8在流动方向中位于过滤模块10后。压力传感器7和8的测量值的比较能够测定经过该过滤模块的压降。压力传感器6、7和8的信息可用于通过控制和调节压力调节器9(其优选也是阀)来控制和监测线路3内的压力，尤其是施加在膜21上的跨膜压力。
具有两个口的出口阀27能从该线路中取出流体和封闭该线路，以使流体不泵过线路2而是泵过出口阀27的出口28。因此，可以将具有高组分浓度的所需溶液收集在连向出口28的产物室29中。在所示实施方案中，出口阀27包含两个阀，它们一起工作以提供出口阀27的三通阀功能。
优选地，线路3还包含用于测定流体中所含组分的浓度的光学测量装置。该光学测量装置优选包含能够在线检测该溶液中的组分浓度的比色皿30。因此，可以监测组分的实际浓度。监测结果可用作停止标准，用以一旦达到预定浓缩率就停止线路3中的流体流和停止过滤过程。比色皿30也可用作用于测量粘度的压力传感器6、7质检的透明毛细管。因此，比色皿具有可经其长度检测压降的流体通道或毛细管的功能。
图4中所示的流体系统具有15毫升的系统100中所含流体的起始体积。储器1中含有13.9毫升起始体积。储器2含有1毫升体积，线路3的其余组件含有100微升。起始浓度为1mg/ml。因此，第一流体储器1的体积是储器2的体积至少10倍大，接近15倍。在另一些实施方案中，第二储器2具有最多0.7毫升、优选最多0.5毫升的体积。因此，储器1的体积是储器2的体积20倍以上。
由于与第一流体储器1相比第二储器2的相对较小体积，线路3的最低工作体积降低。其优选为最多1毫升，更优选最多700微升，也更优选最多500微升。最多200微升的最低工作体积是特别优选的，最多100微升的最低工作体积也是优选的。由于用本发明的系统100可实现的这些最低工作体积，可达到优选至少2、更优选至少10、更优选至少20、更优选50、更优选至少100、特别优选至少150的浓度最大提高倍数。图4中所示的系统能达到至少100的浓度提高倍数。
Claims (41)
1.微流过滤系统，其中所述系统(100)包含流体线路(3)和在线路(3)外的适合容纳流体的第一储器(1)，
流体线路(3)包含：
-切向流过滤模块(10)(TFF模块)，其具有进料入口(18)、渗余液出口(19)、渗透液出口(20)和半透膜(21)，半透膜(21)能在流体样品经进料入口进入切向流过滤模块(10)时将所述流体样品分离成渗余流和渗透流，
-集成到流体线路(3)中的第二储器(2)，其具有储器入口(11)和储器出口(12)，二者都与线路(3)相连，
-泵(5)，用于引起和驱动流经流体线路(3)和切向流过滤模块(10)的流体样品的流体流，
-与第二储器(2)、TFF模块(10)和泵(5)一起形成流体线路的多个导管(14)，经其传导流体样品的流体流；
其中
-外部第一储器(1)的体积显著大于第二储器(2)的体积；
-在线路(3)外的第一流体储器(1)以下述方式经连接导管(31)与线路(3)相连：流体从第一流体储器(1)单向流出到线路(3)中，其中连接导管(31)防止流体从线路(3)流回第一流体储器(1)，且其中第一流体储器(1)中的流体的浓度恒定。
2.根据权利要求1的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)的体积是线路(3)的体积的至少2倍。
3.根据权利要求1的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)的体积是线路(3)的体积的至少10倍。
4.根据权利要求1的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)的体积是线路(3)的体积的至少50倍。
5.根据权利要求1的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)的体积是线路(3)的体积的至少100倍。
6.根据权利要求1的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)的体积是线路(3)的体积的至少1000倍。
7.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于第二储器(2)是分立流体元件，或由流体线路(3)的另一结构元件提供第二储器(2)的功能。
8.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)和第二储器(2)含有相同的流体样品。
9.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于所述系统包含至少一个压力传感器(6、7、8)。
10.根据权利要求9的微流过滤系统，其特征在于所述系统包含至少两个压力传感器(6、7、8)。
11.根据权利要求9的微流过滤系统，其特征在于至少一个压力传感器(6、7、8)用于采集关于跨膜压力和/或所述流体样品的物理性质的信息。
12.根据权利要求9的微流过滤系统，其特征在于至少一个压力传感器(6、7、8)用于采集关于粘度的信息。
13.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于线路(3)包含光学测量装置(30)，光学测量装置(30)用于采集关于流体样品中所含的组分的浓度的信息。
14.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于所述系统包含用于调节跨膜压力和所述流体线路中的压力的压力调节装置(9)。
15.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)和第二储器(2)以下述方式流体连接：第一流体储器(1)的流体样品直接流入第二储器(2)。
16.根据权利要求15的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)的流体样品经由直通连接导管(4)直接流入第二储器(2)。
17.根据权利要求1至6、10至12和16任一项的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)是分立元件。
18.根据权利要求17的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)是罐或容器。
19.根据权利要求17的微流过滤系统，其特征在于第一流体储器(1)可从线路(3)和/或从第二储器(2)上拆除。
20.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于连接导管(31)是毛细管或毛细通道或管和/或连接导管(31)具有至少10毫米的长度。
21.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于连接导管(31)是毛细管或毛细通道或管和/或连接导管(31)具有至少50毫米的长度。
22.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于连接导管(31)是毛细管或毛细通道或管和/或连接导管(31)具有至少100毫米的长度。
23.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于连接导管(31)是毛细管或毛细通道或管和/或连接导管(31)具有至少200毫米的长度。
24.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于连接导管(31)具有最多1毫米的直径。
25.根据权利要求24的微流过滤系统，其特征在于连接导管(31)具有最多0.75毫米的直径。
26.根据权利要求24的微流过滤系统，其特征在于连接导管(31)具有最多0.5毫米的直径。
27.使用切向流过滤模块(10)提高流体样品中所含的组分的浓度的流过滤方法，所述方法包括下述步骤：
-提供微流过滤系统(100)，其包含第一储器(1)和流体线路(3)，其中第一流体储器(1)以下述方式经连接导管(31)与线路(3)相连：流体从第一流体储器(1)单向流入所述线路，其中连接导管(31)防止流体从线路(3)流回第一流体储器(1)且其中第一流体储器(1)中的流体的浓度恒定，所述线路包含：
-微切向流体过滤模块(10)，其具有进料入口(18)、渗余液出口(19)和渗透液出口(20)、和能将所述流体样品分离成渗余流和渗透流的膜(21)，
-集成到流体线路(3)中的第二储器(2)，其具有储器入口(11)和储器出口(12)，二者都与线路(3)相连，
-泵(5)，用于引起和驱动流体样品流经流体线路(3)的流体流，
-与第二储器(2)、TFF模块(10)和泵(5)一起形成流体线路(3)的多个导管(14)，经其传导流体样品的流体流；
其中第一流体储器(1)的体积显著大于第二储器(2)的体积，
-至少向第一流体储器(1)中装入流体样品，
-驱动流体样品经过线路(3)并经过TFF模块(10)，由此提高线路(3)中的流体样品中的组分浓度并取出一定量的流体到渗透流中，
-建立从第一流体储器(1)经连接导管(31)到线路(3)的流体流，以在所述系统的运行过程中补偿作为渗透流从线路(3)中取出的流体量。
28.根据权利要求27的流过滤方法，其特征在于监测流体样品中的组分的浓度和/或流体样品的物理性质。
29.根据权利要求27或28的流过滤方法，其特征在于流体样品中所含的组分的浓度提高为至少2倍。
30.根据权利要求29的流过滤方法，其特征在于流体样品中所含的组分的浓度提高为至少10倍。
31.根据权利要求29的流过滤方法，其特征在于流体样品中所含的组分的浓度提高为至少50倍。
32.根据权利要求29的流过滤方法，其特征在于流体样品中所含的组分的浓度提高为至少100倍。
33.根据权利要求29的流过滤方法，其特征在于流体样品中所含的组分的浓度提高为至少1000倍。
34.根据权利要求27、28、30至33任一项的流过滤方法，其特征在于所述流体样品从第一流体储器(1)流出到线路(3)的第二储器(2)中。
35.根据权利要求27、28、30至33任一项的流过滤方法，其特征在于下列步骤：
以调节线路(3)中的预定压力或预定流量的方式控制线路(3)中的流。
36.根据权利要求27、28、30至33任一项的流过滤方法，其特征在于通过压力控制从第一流体储器(1)到线路(3)的流体流，或特征在于从第一流体储器(1)吸出各自量的流体或在第一流体储器(1)中施加压力，和/或特征在于控制所述流体流以使线路(3)中含有预定量的样品流体、或使线路(3)完全被流体装满以使线路(3)不含空气。
37.根据权利要求36的流过滤方法，其特征在于所述用于控制从第一流体储器(1)到线路(3)的流体流的压力是负压。
38.根据权利要求36的流过滤方法，其特征在于所述用于控制从第一流体储器(1)到线路(3)的流体流的压力是由泵生成的压力。
39.根据权利要求27、28、30至33、37和38任一项的流过滤方法，其特征在于通过压力调节装置控制所述系统中的压力和/或跨膜压力。
40.根据权利要求27、28、30至33、37和38任一项的流过滤方法，其中所述微流过滤系统(100)是根据权利要求1至26任一项的微流过滤系统(100)。
41.根据权利要求27、28、30至33、37和38任一项的流过滤方法，其中所述从第一流体储器(1)经连接导管(31)到线路(3)的流体流是连续流。
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